En ny teknik har utvecklats som gör det möjligt att ta tillförlitliga atomupplösningsbilder, för första gången, av hybrid fotoaktiv perovskit tunna filmer. Dessa bilder har betydande konsekvenser för att förbättra prestanda för solcellsmaterial och breddade förståelsen för dessa tekniskt viktiga material. Genombrottet uppnåddes av ett gemensamt team från University of Oxford och Diamond Light Source som just har släppt en ny artikel som ska publiceras i Vetenskap den 30 oktober, med titeln "Atomisk mikrostruktur av metallhalogenidperovskit."

Med hjälp av ePSIC (Electron Physical Science Imaging Centre) E02-mikroskop och ARM200-mikroskopet vid Institutionen för material, Oxfords universitet, teamet utvecklade en ny teknik som gjorde det möjligt för dem att avbilda de hybrida fotoaktiva perovskiternas tunna filmer med atomupplösning. Detta gav dem oöverträffade insikter i deras atomära sammansättning och försåg dem med information som är osynlig för alla andra tekniker.

Dr Mathias Uller Rothmann från institutionen för fysik, Oxfords universitet, förklarar, "Detta är det sista steget på vägen till att kunna avbilda, och därmed förstå, dessa viktiga solcellsmaterial på det mest grundläggande, atomär nivå. Det är en betydande upptäckt som inte har uppnåtts framgångsrikt tidigare trots att dessa material är några av de mest intensivt studerade i världen under de senaste åtta åren. Materialet skadas otroligt snabbt under en elektronstråle, så vi var tvungna att sänka elektrondosen till den punkt där vi körde på gränsen för vad detektorerna kan registrera. Faktiskt, skadan sker så snabbt att under "normala" bildförhållanden, skadan är skedd innan du inser det. Det betyder att det förmodligen finns en relativt stor mängd litteratur där ute som har gjort observationer baserade på den skadade versionen av materialet, och inte den som går i själva solcellerna."

Mekanismerna bakom den imponerande prestandan hos dessa speciella perovskiter har ännu inte helt förstått, men de beror troligen på egenskaper på atomnivå som kan vara unika för dem.

Dr Chris Allen, främste elektronmikroskopist vid ePSIC säger; "Att avbilda strålkänsliga material med atomupplösning är extremt utmanande, eftersom högenergielektronerna tenderar att skada provet, ändra dess atomära struktur. Genom att anpassa en avbildningsteknik som vanligtvis inte förknippas med bildbehandling med låg elektrondos, detta samarbete mellan forskare vid University of Oxford och ePSIC har uppnått oöverträffad lösning på denna viktiga klass av material. Detta har inte bara besvarat frågor om atomstrukturen för hybridperovskiter utan öppnar också möjligheter till forskning om många andra strålkänsliga material. "

Tidningen granskar en kombination av förhållanden som nu kan användas för att avbilda materialen samt bilder av mikroskopiska egenskaper som aldrig tidigare observerats i dessa material. Teamet beskriver detta som revolutionerande eftersom det gör det möjligt för forskare att studera exakt vad filmernas lokala sammansättning är med atomär precision och noggrannhet. Denna teknik används ganska ofta för att studera andra material, men på grund av den anmärkningsvärt instabila naturen hos de fotoaktiva perovskiterna, speciellt under en elektronstråle, detta har inte varit möjligt för hybridperovskiter förrän nu.

"Med hjälp av vårt protokoll, vi har kunnat beskriva den exakta atomära naturen hos korngränser, en av de mest dåligt förstådda aspekterna av perovskitsolceller, samt beskriva ett helt nytt sortiment av kristalldefekter som kan ha en betydande inverkan på den makroskopiska prestandan hos solcellsanordningar. Man kan säga att vi nu har låst upp nästa nivå av förmåga att förstå dessa spännande material. Även om vi ännu inte har en fullständig bild av vad detta kommer att betyda för utvecklingen av dessa solceller, forskare kommer nu att kunna ge säkra svar istället för kvalificerade gissningar när de försöker svara på frågor om de mikroskopiska egenskaperna hos perovskitsolcellsmaterial. Att svara på dessa frågor kommer att vara ett stort steg för att vägleda fältet mot ständigt bättre presterande solceller, och, kanske, för att förhindra en klimatkatastrof, " avslutar Dr. Rothmann.

Teamets nya teknik gjorde det möjligt för dem att observera ett helt nytt spektrum av fenomen som hänför sig till hybridperovskiter, inklusive viktiga egenskaper som den exakta sammansättningen av korngränserna och andra gränssnitt, som andra tekniker inte har kunnat lösa. Dessutom, teamet observerade en rad kristallografiska defekter som aldrig har övervägts för hybridperovskiter och som är kända i andra solcellsmaterial för att vara mycket skadliga för den totala prestandan. Att ta bort dessa defekter kommer att vara viktigt för hög prestanda, men tills nu, det var omöjligt att på ett tillförlitligt sätt identifiera deras närvaro.